深圳灣創(chuàng)新科技中心超高層連體結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析

胡志民, 覃建華

(1 深圳灣科技發(fā)展有限公司，深圳 518057；2 深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，深圳 518031)

0 引言

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,我國高層建筑建設(shè)發(fā)展迅速,建筑的功能趨于多樣化,同時(shí)由于連體結(jié)構(gòu)新穎、獨(dú)特的空中造型使得建筑看起來更加有個(gè)性和特色,連體結(jié)構(gòu)形式越來越多,各種造型越來越復(fù)雜,越建越高,對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更大挑戰(zhàn)。

國內(nèi)學(xué)者也對(duì)非對(duì)稱連體超高層結(jié)構(gòu)抗震性能、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[1-2]。李鵬[3]通過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析,提出連接體高度、連接體層數(shù)、連接體樓板和連接體梁系布置等參數(shù)對(duì)連體結(jié)構(gòu)整體剛度的影響等。陳潤輝等[4]通過簡化的塔樓模型,用ABAQUS軟件對(duì)高層連體結(jié)構(gòu)項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)力彈塑性研究。姜文輝等[5]對(duì)連廊的支座布置方案、支座阻尼器的設(shè)置進(jìn)行了分析論證,對(duì)結(jié)構(gòu)整體和關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行了抗震性能研究。張慎等[6]對(duì)武漢江城之門大跨剛性連體超高層混合結(jié)構(gòu)項(xiàng)目進(jìn)行了考慮收縮徐變的非線性階段施工模擬分析,對(duì)比了典型豎向構(gòu)件變形和內(nèi)力重分布結(jié)果。范旭紅等[7]通過對(duì)復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)、受力響應(yīng)等的分析對(duì)比,探討了長周期地震波作用下復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性。

本文基于深圳灣創(chuàng)新科技中心超高層連體項(xiàng)目,在兩種不同力學(xué)模型和分析假定下,采用ABAQUS、Perform-3D兩個(gè)軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了大震下的彈塑性時(shí)程分析,研究了在大震下結(jié)構(gòu)主要指標(biāo)情況。

1 工程概況

深圳灣創(chuàng)新科技中心位于廣東省深圳市南山區(qū)高新產(chǎn)業(yè)基地,總建筑面積為46.3萬m2,包括2棟研發(fā)塔樓(塔樓2A、2B)、3棟宿舍樓(宿舍樓1A、1B、1C)、3層裙房(商業(yè)用房)及3層地下室。其中塔樓2A地上69層,結(jié)構(gòu)高度為299.1m,塔尖高度為311.9m;塔樓2B地上54層,結(jié)構(gòu)高度為235.2m,塔尖高度為243.7m;塔樓2A、2B與裙房分縫;塔樓2A、2B在低區(qū)6～9層、高區(qū)34～37層通過兩個(gè)跨3層高的連接體連為一體,屬于連體結(jié)構(gòu)[8-10]。圖1、2分別為該工程效果圖、典型剖面圖,圖3為典型連體層結(jié)構(gòu)平面布置圖,圖中虛線框內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)層范圍,圖4為連體桁架示意圖[11]。

圖1 建筑效果圖

圖2 典型剖面圖

圖3 典型連體層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 連體桁架示意圖

根據(jù)建筑平面功能及立面需要,沿建筑外圍共布置了20根框架柱,塔樓2A外框柱從基礎(chǔ)至43層主要采用鋼管混凝土疊合柱,43層至屋面采用普通混凝土柱,柱截面尺寸從下到上為1 800×1 800～1 000×1 000;塔樓2B外框柱從基礎(chǔ)至40層主要采用鋼管混凝土疊合柱,40層至屋面采用普通混凝土柱,柱截面尺寸從下到上為1 500×1 500～1 000×1 000。鋼管混凝土疊合柱采用同期施工。核心筒采用鋼筋混凝土筒體,塔樓2A核心筒墻厚從下到上為1 300～400mm;塔樓2B核心筒墻厚從下到上為1 000～400mm。在底部加強(qiáng)區(qū)、部分墻體軸壓比不滿足規(guī)范要求的區(qū)域、連接體及其上下層區(qū)域的核心筒墻內(nèi)設(shè)置型鋼。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)底部墻柱混凝土采用C60,往上減小至C40[11]。

該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,塔樓結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。上部結(jié)構(gòu)的嵌固端為地下一層樓板。抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組[12],抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類,建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類,特征周期為0.35s(規(guī)范值),地面粗糙度類別為C類,50年一遇基本風(fēng)壓為0.75kN/m2(承載力設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載效應(yīng)放大系數(shù)取50年一遇基本風(fēng)壓值的1.1倍)[13],風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4[14]。

本工程屬于高度超限的B級(jí)高度高層建筑,同時(shí)具有 “樓板不連續(xù)” “其他不規(guī)則”兩項(xiàng)一般規(guī)則性超限,一項(xiàng)不規(guī)則性超限即“復(fù)雜連接”。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[13](簡稱高規(guī))第3.11.1條規(guī)定,總體抗震性能目標(biāo)定為C級(jí)。

2 抗震性能目標(biāo)及抗震加強(qiáng)措施

2.1 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)高規(guī)第3.11.1條,采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法并結(jié)合超限情況,總體抗震性能目標(biāo)定為C級(jí)[10],結(jié)構(gòu)體系中各部分構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示,小震下塔樓2A、2B的層間位移角限值分別為1/500、1/529,大震下塔樓2A、2B的層間位移角限值均為1/100。

表1 抗震性能目標(biāo)

2.2 抗震加強(qiáng)措施

采取的主要抗震加強(qiáng)措施如下[8]: 1)連體層及相鄰豎向構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí);2)與連接體相鄰的框架柱,在連接體區(qū)域及上下各一層范圍內(nèi),柱內(nèi)鋼管進(jìn)行截面加大加厚處理,確保連接節(jié)點(diǎn)安全可靠,同時(shí)保證框架柱具有足夠的延性;3)連接體樓板進(jìn)行加強(qiáng)處理,低區(qū)連接體的底層、頂層樓板厚200mm,中間層樓板厚150mm,高區(qū)連接體的底層、頂層樓板厚250mm,中間層樓板厚180mm,為減少連接體上下層剛度突變?cè)斐上噙B層提前破壞,連接體相鄰上下各一層樓板加厚至150mm;4)加強(qiáng)核心筒底部加強(qiáng)區(qū)、連接體區(qū)域及上下各一層范圍核心筒外圍墻暗柱內(nèi)設(shè)置鋼骨,提高構(gòu)件承載力,同時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性。

3 大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

3.1 建立分析模型

分別用ABAQUS軟件和Perform-3D軟件建立深圳灣創(chuàng)新科技中心結(jié)構(gòu)有限元分析模型,對(duì)結(jié)構(gòu)在大震作用下的安全性能進(jìn)行分析論證,圖5、6為該工程大震動(dòng)力彈塑性分析整體模型圖,兩種軟件材料本構(gòu)、分析模型見表2[15]。

表2 兩種軟件材料本構(gòu)、分析模型

圖5 ABAQUS模型

圖6 Perform-3D模型

圖7 力-變形關(guān)系曲線圖

本結(jié)構(gòu)在大震下的阻尼比ξ取0.05[12]。非線性分析中阻尼通常是采用瑞雷阻尼等效模擬振型阻尼,瑞雷阻尼分為質(zhì)量阻尼α和剛度阻尼β兩部分,其與振型阻尼的換算關(guān)系如式(1)所示:

(1)

式中ωA、ωB分別為結(jié)構(gòu)頻段A、B點(diǎn)的圓頻率。

3.2 大震構(gòu)件性能目標(biāo)

高規(guī)將結(jié)構(gòu)的抗震性能分為1～5五個(gè)水準(zhǔn),對(duì)應(yīng)的構(gòu)件損壞程度則分為無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞五個(gè)級(jí)別。在ABAQUS中構(gòu)件的損壞主要以混凝土的受壓損傷因子及鋼材(鋼筋)的塑性應(yīng)變程度作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),其與高規(guī)中構(gòu)件的損壞程度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示[8]。

表3 ABAQUS構(gòu)件損壞標(biāo)準(zhǔn)

Perform-3D模型中,本項(xiàng)目以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形能力小于規(guī)定的防止倒塌(CP)狀態(tài)為目標(biāo),結(jié)構(gòu)變形能力參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)和ASCE41-06[16],各類構(gòu)件性能水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)限值詳見表4。

表4 Perform-3D構(gòu)件性能水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)限值

3.3 地震波選取

選擇了兩組天然波和一組人工波來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的大震彈塑性時(shí)程分析。采用三向地震波輸入,X、Y向輸入時(shí),三向地震波加速度峰值比分別為X∶Y∶Z=1∶0.85∶0.65和X∶Y∶Z=0.85∶1∶0.65,地震波加速度峰值取220gal,持續(xù)時(shí)間都為40s。圖8為人工波X向波形圖,三條地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與反應(yīng)譜地震影響系數(shù)曲線[15]對(duì)比示意圖見圖9,從圖9可以看出,在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的第1、2、3周期點(diǎn)上相差比例分別為9.95%、-11.09%、1.09%,均不大于20%。

圖8 人工波X向波形圖

圖9 三條地震波平均譜值與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比示意圖

3.4 整體計(jì)算結(jié)果

通過Perform-3D、ABAQUS計(jì)算得到整體模型的大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)構(gòu)見表5。由于兩個(gè)軟件在模型分析中存在一定差異,如ABAQUS中樓板采用內(nèi)置的彈塑性殼單元,而Perform-3D中樓板采用剛性假定,又如ABAQUS考慮了鋼筋質(zhì)量影響等,所以兩者計(jì)算結(jié)果存在一定誤差。但從表5中可以看出,Perform-3D、ABAQUS整體模型大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析大體上是基本吻合的,證明該模型可以用來做大震彈塑性時(shí)程分析[17]。

表5 整體模型大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

3.4.1 層間位移角和樓層位移

圖10、11分別為X、Y向?qū)娱g位移角對(duì)比圖,從圖中可以看出:大震下X、Y向最大層間位移角分別為1/152、1/167,小于規(guī)范限值1/100;兩個(gè)軟件計(jì)算的層間位移角的變化趨勢(shì)及最大層間位移角所在的層數(shù)(除頂部樓層外)大致一樣,但由于兩個(gè)軟件其處理非線性方法不同,ABAQUS采用顯式動(dòng)力分析方法,材料采用的是彈塑性損傷纖維束模型,而Perform-3D只能采用隱式動(dòng)力分析方法,材料采用的是彈性桿+曲率型塑性鉸模型,也導(dǎo)致其局部有較大差異,同時(shí)這也是ABAQUS能夠很好地反映鞭梢效應(yīng),而Perform-3D不能很好反映的原因之一,因?yàn)楸耷市?yīng)影響導(dǎo)致非線性程度加深,從而造成兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果差距較大[18]。

圖10 X向?qū)娱g位移角對(duì)比圖

圖12、13為塔樓2A、2B的X向小震彈性與大震彈塑性頂點(diǎn)位移時(shí)程對(duì)比圖。由圖12、13可以看出:1)初始階段,彈性、彈塑性分析的頂點(diǎn)位移時(shí)程基本吻合,在10～20s區(qū)間ABAQUS軟件計(jì)算的頂點(diǎn)位移峰值明顯比Perform-3D相應(yīng)值大,主要是由于前者計(jì)算出的彈塑性損傷較深,再往后兩者波幅基本一致,但有一定的相位差[12];2)相較于彈性分析,彈塑性分析頂點(diǎn)峰值位移出現(xiàn)時(shí)間晚;3)隨著塑性的發(fā)展,耗能增加,彈塑性分析頂點(diǎn)位移衰減速度大于彈性分析結(jié)果。

圖12 塔樓2A的X向頂點(diǎn)位移時(shí)程

圖13 塔樓2B的X向頂點(diǎn)位移時(shí)程

3.4.2 基底剪力

經(jīng)計(jì)算分析,結(jié)構(gòu)在小震、大震作用下基底剪力見表6,從表中可以看出,結(jié)構(gòu)在三條地震波作用下,采用Perform-3D軟件計(jì)算的大震基底剪力與小震基底剪力比值偏小,X、Y向大震與小震基底剪力比最大值為4.83,表明結(jié)構(gòu)在大震作用下基底剪力有減小的趨勢(shì),結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展程度較為顯著,結(jié)構(gòu)剛度下降較多,地震波輸入的能量被進(jìn)入塑性階段的構(gòu)件有效地耗散。但從表6中也可以看出,ABAQUS計(jì)算出的基底剪力普遍比Perform-3D偏大,主要是由于前者能夠很好地反映鞭梢效應(yīng)及非線性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[12],所以導(dǎo)致ABAQUS損傷較Perform-3D偏小。

表6 結(jié)構(gòu)基底剪力

3.4.3 能量耗散

大震作用下結(jié)構(gòu)對(duì)地震能量的耗散分布時(shí)程見圖14、15。輸入結(jié)構(gòu)的地震能量一部分通過動(dòng)能和應(yīng)變能形式轉(zhuǎn)換輸出,一部分由結(jié)構(gòu)自身消耗包括阻尼耗能和塑性耗能,當(dāng)結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)時(shí),能量輸出主要由動(dòng)能、應(yīng)變能和阻尼耗能組成,當(dāng)出現(xiàn)塑性耗能后,表明結(jié)構(gòu)已有部分構(gòu)件進(jìn)入塑性耗能狀態(tài),這時(shí)阻尼耗能也相應(yīng)增大。對(duì)比圖14、15可以看到,ABAQUS計(jì)算塑性耗能約占25%,小于Perform-3D計(jì)算的塑性耗能40%,ABAQUS計(jì)算的彈性應(yīng)變能比Perform-3D大,主要是由于ABAQUS能夠很好地模擬非線性損傷,且ABAQUS樓板采用內(nèi)置的殼單元,剪力墻考慮了軸力、彎矩和剪力的耦合,而Perform-3D樓板采用的是剛性樓板,剪力墻采用的是纖維模型,剪切鉸考慮剪力影響,導(dǎo)致其非線性程度不如Perform-3D[18]?？傮w上來看,結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,整體結(jié)構(gòu)大震不倒。

圖14 ABAQUS能量耗散分布時(shí)程

圖15 Perform-3D能量耗散分布時(shí)程

3.4.4 結(jié)構(gòu)塑性損傷情況

圖16、17分別為ABAQUS和Perform-3D計(jì)算的框架梁、框架柱損傷和塑性鉸分布情況,其中OP為正常運(yùn)行狀態(tài)。從圖16、17中可以看出:框架梁損傷和塑性鉸主要集中在上部幾層和連體相關(guān)樓層,屬于中度損壞,部分比較嚴(yán)重?fù)p壞,滿足最小抗剪截面要求;底部加強(qiáng)區(qū)塔樓外框架柱、連體部位及上下一層的豎向構(gòu)件滿足罕遇地震作用下輕度損壞性能目標(biāo);非底部加強(qiáng)區(qū)、 非連體區(qū)及上下各一層塔樓外框架柱滿足罕遇地震作用下部分構(gòu)件中度損壞性能目標(biāo)。

圖16 ABAQUS計(jì)算的框架、梁柱受壓損傷

圖17 Perform-3D計(jì)算的框架梁柱、受壓損傷

圖18、19分別為ABAQUS和Perform-3D計(jì)算的連梁、剪力墻及連體鋼結(jié)構(gòu)損傷情況。從圖18、19可以看出,底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、連接體區(qū)域及上下一層的剪力墻混凝土最大受壓損傷因子dc=0.097<0.1,且損傷寬度小于橫截面寬度的50%,屬于關(guān)鍵構(gòu)件輕度損壞,非連體部位及上下一層的剪力墻混凝土最大受壓損傷因子0.1

圖18 ABAQUS計(jì)算的連梁、剪力墻及連體鋼結(jié)構(gòu)損傷

圖19 Perform-3D計(jì)算的連梁、剪力墻及連體鋼結(jié)構(gòu)損傷

從圖18、19亦可以看出:ABAQUS非線性程度較Perform-3D小,由于連梁作為整個(gè)結(jié)構(gòu)耗能的第一道防線,其損傷程度Perform-3D比ABAQUS更顯著,這是由于兩個(gè)軟件分析方法不同所致;連梁部分出現(xiàn)塑性鉸,主要集中在連體上部樓層部分,部分達(dá)到了嚴(yán)重?fù)p傷,但連梁總體滿足大震作用下中度損壞、部分比較嚴(yán)重?fù)p壞,從而通過自身的塑性變形耗散了部分地震能量,實(shí)現(xiàn)了其作為第一道設(shè)防體系來消耗和保護(hù)墻肢的目的,是其“保險(xiǎn)絲”功能得以實(shí)現(xiàn)的體現(xiàn)[7],并滿足最小抗剪截面性能目標(biāo)要求;連體桁架鋼結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)塑性,滿足大震作用下不屈服性能目標(biāo);剪力墻也基本滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求。

總體來看,構(gòu)件損傷及塑性鉸數(shù)量最多的是連梁,其次是框架梁,最后是框架柱。

圖20為ABAQUS計(jì)算的典型連體部位樓板損傷情況。由圖20可見,樓板損傷的范圍很小,屬于輕微損傷,滿足部分屈服性能目標(biāo),連體與塔樓交接處、電梯井外墻與樓板交接處以及薄弱連接部位樓板配筋應(yīng)有所加強(qiáng),滿足大震下中度損壞性能目標(biāo)。

圖20 典型連體部位樓板損傷情況

4 結(jié)語

(1)ABAQUS和Perform-3D兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果的整體結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)、頂點(diǎn)位移、基底剪力、能量耗散以及結(jié)構(gòu)塑性損傷情況均滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求。

(2)結(jié)構(gòu)頂部幾層框架梁出現(xiàn)輕微損壞,從進(jìn)入輕微損傷的鋼筋分布來看,結(jié)構(gòu)框架的屈服機(jī)制為先框架梁后框架柱。

(3)從剪力墻混凝土的受壓損傷過程來看,在頂部幾層和剪力墻收進(jìn)位置剪力墻出現(xiàn)輕微損傷,剪力墻收進(jìn)部位是本結(jié)構(gòu)的主要薄弱位置,是本結(jié)構(gòu)著重需要改善加強(qiáng)的部位,剪力墻構(gòu)件僅局部出現(xiàn)輕微損壞,抗震性能良好,滿足大震作用下性能目標(biāo)。

(4)結(jié)構(gòu)連梁中度損壞、部分連梁比較嚴(yán)重?fù)p壞,滿足大震作用下部分抗彎屈服、抗剪部分屈服性能目標(biāo)。

綜上所述,結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制為連梁-框架梁-框架柱,屈服機(jī)制合理,符合抗震概念設(shè)計(jì)的屈服順序,且大震下主承重剪力墻、框架柱、連體部位鋼結(jié)構(gòu)、樓面梁的損壞程度均可控制在輕微損壞至輕度損壞,滿足所設(shè)定的抗震性能目標(biāo)的要求。